面向2040年我国碳中和重点领域工程科技发展战略研究

“双碳”目标的提出加速了我国能源革命的进程,对发展新兴能源、构建现代能源体系起到了极大的推动作用。本文聚焦节能降碳,新型电力系统建设,碳捕集、利用与封存三个重点领域,梳理了世界碳中和重点领域工程科技发展的九大趋势,提出了面向2040年的碳中和重点领域经济社会与科技发展愿景和战略目标;剖析碳中和领域发展面临的问题,描绘了基于“十项关键技术、九项重点任务、四项重大工程、三项重大科技项目”的工程科技发展路线。研究提出,强化节能优先战略实施和管理,加强科研仪器设备研发和科研平台建设,充分发挥中央企业创新主体作用,加强碳捕集、利用与封存技术的财税支持等4项保障措施,为我国碳中和重点领域科技创新研发布局提供借鉴和参考。

合成气一步法制低碳烯烃OX-ZEO催化剂研究进展

从煤、天然气、生物质等非石油碳资源出发经合成气(CO+H2)一步法制低碳烯烃是一条极具广阔前景的技术路线,其可克服当前工业应用的合成气经甲醇间接制低碳烯烃技术路线长、设备投资大、能耗和水耗高等问题。主要介绍了金属氧化物耦合分子筛(OX-ZEO)双功能催化剂的制备方法和催化性能以及金属氧化物的粒径、氧空位以及分子筛B酸位点密度对催化剂性能的影响,总结了反应温度、压力、空速等工艺条件对催化性能的影响规律,讨论了氧化物与分子筛的复合方式对CO转化率和产品选择性的影响。合成气一步法制低碳烯烃面临反应时空收率低、尾气分离困难、反应热效应影响大等挑战,实现工业化前还需解决众多问题。

中空三维结构的硅碳负极的构筑及性能研究

硅碳材料作为高能量密度的锂电负极材料备受瞩目,但由于硅在充放电过程中巨大的体积膨胀效应,导致了其循环性能差,限制了其商业化应用。本工作利用薄层石墨柔性结构的特点,与纳米硅进行复合制备了中空结构的硅碳复合物,并通过对薄层石墨和纳米硅分别用含有羧基的羧甲基纤维素(CMC)和含有氨基的正硅酸乙酯(TEOS)进行表面修饰。相比于传统的机械混合工艺制备的硅碳负极材料存在纳米硅与碳材料复合不均一的问题,本工作修饰后的纳米硅与薄层石墨之间通过静电自组装作用,可形成更为均一的纳米硅与薄层石墨的复合物(S/MG)。通过造粒技术,构筑了由纳米硅/薄层石墨片层组成的中空结构的硅碳复合物颗粒,而颗粒外部由碳层进行包覆。通过SEM切片、EDS以及高分辨TEM等表征手段,可以看到颗粒内部由纳米硅与薄层石墨层结构构筑了微米尺寸的中空结构,该结构内部不但形成了导电的三维网络结构,而且为纳米硅的体积膨胀提供了充足的缓冲空间,从而大幅提升了硅碳负极材料循环稳定性。相比于传统石墨取代薄层石墨与纳米硅制备的硅碳复合物,薄层石墨制备的硅碳负极的比容量达到958 mAh/g,扣电在0.5 C下循环500次后容量保持率可维持在88%左右。本文作者也从实用角度评价了S/MG全电循环性能,与三元NCM811正极材料组装成的软包全电池,在1 C倍率充放电下,循环1000周后电池容量保持率可达86%,可为高能量密度锂电技术的研究提供实验依据。

K-CoMoS催化剂上合成气制低碳醇的宏观动力学

针对K促进的掺杂Co的MoS_(2)催化剂(K-CoMoS),设计合成气(H_(2)+CO)制低碳醇的动力学实验,利用固定床反应器测定反应数据,建立CO消耗和低碳醇生成的宏观动力学模型。模型参数回归结果表明,CO消耗活化能为105.16 kJ·mol^(-1),低碳醇链增长活化能为56.9 kJ·mol^(-1),链终止活化能为55.2 kJ·mol^(-1),链增长的反应速率低于链终止的反应速率,是速率控制的关键步骤。通过动力学模型预测,提高CO分压有利于提高低碳醇的选择性,与实验值一致,证明了该动力学模型的合理性。

低碳烯烃对费-托合成反应的影响

在费托合成反应中,生成的烯烃从催化剂活性位点脱附后,部分会再次吸附在催化剂活性位点上发生二次反应,对费托合成反应及其产物分布有着一定的影响。利用搅拌釜反应器和沉淀铁基费托合成催化剂,研究了不同浓度的低碳烯烃对费托合成反应的影响。试验表明:低碳烯烃的加入对费托合成反应的转化率和产物选择性均有影响,会导致一氧化碳的转化率下降,二氧化碳的选择性略有上升,甲烷的选择性略有下降;低碳烯烃的加入显著改变了产物中低碳烃的选择性,使低碳烷烃的选择性显著升高、低碳烯烃的选择性显著降低;乙烯对费托合成反应的影响作用明显强于丙烯。

静电纺丝碳纳米纤维电极液流电池研究进展

液流电池因其具有安全、循环寿命长、环境友好和扩容性强等优势,成为目前最有前途的大规模储能技术之一。电极作为液流电池的关键材料,其性能对电池性能有着重大影响。综述了静电纺丝碳纳米纤维电极在液流电池中的研究进展,介绍了静电纺丝碳纳米纤维的制备原理以及关键制备参数的影响,详细阐述了电纺碳纳米纤维电极结构和化学性质的调控方法及其对电池性能的影响,包括纤维微观结构的调控、杂原子掺杂和催化改性等;指出电极反应活性面积和化学性质影响的电化学活性与传质性能之间的协同是电极调控的关键,通过对纤维进行造孔或新型结构设计可以调控纤维的微观结构和表面性质,杂原子掺杂和引入催化剂可以提高电极的活性面积和亲水性,以促进电极的电化学活性;提出了电纺碳纳米纤维电极从实验室制备到规模化发展存在的问题及未来发展方向。

碳材料作为锂硫电池硫正极基质研究进展

在过去30年,锂离子电池彻底改变了便携式电子产品,并于2019年获得了诺贝尔化学奖。目前,锂离子电池的能量密度已接近极限,因此开发超越锂离子化学的新电池技术对下一代高能量存储具有重要意义。锂硫电池依赖于锂和硫之间的可逆氧化还原反应。与现有的锂离子电池相比,因其具有压倒性的能量密度,它似乎是一种可以取代传统锂离子电池的下一代储能系统。近60年,特别是近10年来,锂硫电池在学术和商业上都取得了重大进展。自20世纪60年代首次提出硫正极的概念,到目前用于无人机的商用锂硫电池,它的故事充满了突破和回溯。从碳基硫正极基质设计方面总结了锂硫电池的发展与进步。

二氧化碳甲烷干重整催化剂的研究进展

基于甲烷干重整反应的最新研究进展,综述了甲烷活化的策略,即添加金属助剂和调控金属载体相互作用;归纳了二氧化碳的活化位点包括活性金属粒径、碱性位点和氧空位对其吸附解离的影响;概括了两活性位耦合的最新进展;最后对DRM催化剂的发展进行了总结。

合成气直接制备低碳烯烃催化剂研究进展

以合成气一步法制备低碳烯烃的催化剂研发进展为切入点,归纳总结了一步法制备低碳烯烃的几类催化,包括双功能催化剂、铁基催化剂和钴基催化剂;重点阐述了设计合成催化剂过程中其性能的影响因素,如催化剂活性组分、载体、助剂、结构设计及制备方法;此外,还指出当前合成气一步法制备低碳烯烃催化剂的攻关难点,即克服产物分布影响、增加低碳烯烃的选择性。

煤矿乏风中超低浓度甲烷燃烧特性研究及机理敏感性分析

在国家“双碳”目标背景下,煤矿风排瓦斯中甲烷的减排日益重要;乏风氧化燃烧技术是目前乏风中甲烷减排利用的一个重要方向。基于甲烷燃烧详细化学动力学机理GRI-MECH 3.0,针对乏风瓦斯的气氛特点,开展了着火点、绝热火焰温度、点火延迟时间等燃烧特性的研究;基于敏感性分析方法,得到对反应温度有重要影响的基元反应过程。研究表明:乏风瓦斯着火点和甲烷浓度、停留时间有关,当乏风甲烷浓度小于等于0.4%时,着火点快速升高,大于0.4%时着火点变化不大;气体停留时间越长,乏风着火点越低,当停留时间是1 s时,常规乏风瓦斯的自燃温度在680℃~800℃。乏风瓦斯的最高火焰温度和甲烷浓度呈线性递增关系,在起始着火温度基础上,甲烷浓度每升高0.1%,火焰温度升高约23℃。900℃条件下不同浓度乏风瓦斯点火延迟时间几乎相同,但完全反应时间却随着浓度增加而缩短。表观气速对乏风中甲烷的转化率影响较为显著,700℃引燃温度条件下0.5%CH4的乏风进气流速需控制在1.31 m/s以内。最后基于温度敏感性,探讨了关键的基元反应。

合成气高温费托合成制低碳烯烃铁催化剂研究进展

从合成气制取低碳烯烃是C1化学化工领域中一个非常有挑战性的研究方向,有间接法和直接法两条路线。以MTO为代表的间接法在工业界已得到了很成功的应用,而直接法流程短、能耗低,与间接法相比更具竞争力,但其工业应用进展缓慢。在相应催化剂研发中,直接法可细分为两条路线:一是耦合双功能催化剂,存在起活温度高、转化率低以及对氢碳比要求高等缺点;二是通过高温费托铁催化剂将合成气一步制取低碳烯烃(FTO)。在高温费托合成铁催化体系中,碱金属和金属氧化物是最重要的两类助剂,在载体方面,除了常用的AlO和SiO2,炭材料和分子筛也得到了越来越多的应用。综述聚焦近年来合成气高温费托合成制低碳烯烃铁基催化剂的研究进展,从助剂和载体两个方面进行相应评述,并对FTO铁基催化剂的发展方向进行了展望。

煤制油产业绿色低碳发展的四个途径

基于我国富煤贫油少气的资源禀赋,发展煤制油是我国能源战略的必然选择。尽管煤制油技术在我国已有显著进步,但仍面临碳排放量大、环保问题突出、规模效益不足,以及产品低端化、同质化等挑战。发展煤制油是我国能源安全战略的需要。近年来我国能源自给率持续上升。

新能源应用安全风险防控战略框架研究

新能源大规模应用是实现“双碳”战略目标的主要途径,开展新能源应用安全风险防控战略研究有助于新能源应用安全监管、风险防控与保障体系建设,推动新能源相关产业高质量发展。当前我国新能源应用涉及的新兴基础设施类型多样,面临着安全事故成因复杂、安全风险认知仍不充分、安全防控技术体系不完备、安全监管制度建设滞后等现实问题。本文从我国新能源应用发展现状与安全形势分析出发,剖析了充/换电站、储能站、加氢站、综合能源站等新能源应用基础设施面临的安全风险防控问题,总结了国外相关安全风险防控的现状与经验启示;围绕建立新能源应用安全事故前、中、后立体防控与保障体系,加强各利益相关方的安全风险管理与监管能力两大防控目标,构建了新能源应用安全风险防控战略框架,明确了管理与技术两个维度的重点任务以及中长期工程科技支撑项目。进一步提出了顶层设计、治理标准、监管平台、技术研发、人才培养、共建生态等发展建议,以增强新能源应用安全的研究与应用水平。

“长时储能技术研究”专题特约主编寄语

“双碳目标”的提出是中国主动应对全球气候变化的关键举措。“十四五”是碳达峰的关键期、窗口期。中国已经全面开始了能源绿色低碳转型,推动电力系统向适应大规模高比例新能源方向演进。在此基础上,储能技术成为了实现能源转型的关键环节。随着全球对可再生能源需求的增加,如何有效地存储和管理这些不稳定、间歇性的能源成为了一大挑战。长时储能系统通过将过剩的电力转换为化学能、机械能或热能等形式进行存储,然后在需要时释放回电网,为解决这一问题提供了可能。

纳米多孔碳对MgO/Mg(OH)_(2)化学蓄热性能影响的实验研究

为提高MgO/Mg(OH)_(2)的热化学蓄/放热性能,采用焙烧法将氧化镁(MgO)负载在纳米多孔碳(NCP)材料上制备纳米碳基氧化镁(NCP-MgO)复合材料。研究结果表明,NCP载体使MgO在其表面形成粒径为10~30 nm大小的颗粒,复合材料NCP-MgO具有较高的导热系数,负载80%MgO后导热系数是纯MgO的2.6倍。在反应温度110℃、水蒸气压力57.8 kPa的实验工况下,发现水合速率的大幅提升是强化MgO/Mg(OH)_(2)蓄热性能的主要原因,在水合反应60 min和120 min时,NCP-MgO复合材料的水合转化率分别是纯MgO的2.25倍和1.6倍。在水合反应120 min后,MgO负载率为80%的NCP-MgO复合材料的蓄热密度可达1053 kJ/kg,是纯MgO的1.4倍。该研究可为MgO/Mg(OH)_(2)在化学蓄热系统的应用提供一定的参考。

甘氨酸盐捕集二氧化碳的ATR-FTIR研究

为研究甘氨酸盐溶液吸收二氧化碳的整个过程,采用衰减全反射傅里叶变换红外光谱法(ATR-FTIR)指认甘氨酸钾溶液及其二氧化碳吸收饱和溶液的13个特征峰,对甘氨酸钾溶液吸收二氧化碳的过程进行跟踪测试,通过表征反应物和生成物了解整个吸收反应过程。ATR-FTIR测量结果表明,在吸收二氧化碳过程中随着甘氨酸钾溶液p H值的逐渐降低,溶液中NH3+、N-COO-和HCO3-的含量逐渐增加。其中溶液中的氨基(NH2)不断消失,表明甘氨酸钾吸收剂吸收了二氧化碳,即溶液中不断发生氨基质子化反应(NH2→NH3+),并生成氨基甲酸酯(N-COO-)和碳酸氢根(HCO3-)。该结果有助于进一步了解甘氨酸盐吸收二氧化碳的反应机理和反应动力学。

损伤岩石声发射演化特征及响应机制试验研究

岩石内部损伤演化是导致岩土工程灾害的原因之一,揭示岩石破裂过程中的关键参数响应特征可为岩石破坏后失稳状态识别提供依据,对于岩体工程灾害预警防控至关重要。通过循环加载-卸载(加卸载)试验制备不同损伤程度粉砂岩试样,利用损伤试样开展单轴加载试验,分析试样损伤程度与波速关系及声发射演化规律,探讨不同损伤程度岩石的声发射响应机制。结果表明:(1)损伤试样纵波波速随着损伤程度增加呈线性减小趋势,但声发射振铃计数由阶段性递增转变为加载全过程迅速增加,声发射能量在屈服阶段由小幅度突增转变为快速增加。(2)反映岩石内部不同尺度裂隙发展趋势的声发射b值峰值区由峰后破坏阶段向压密阶段转移,造成峰后破坏阶段失稳特征不明显,反映岩体内部声发射源集中程度和能量尺度的S值在压密至屈服阶段由低位中幅度波动转变为高位小幅度波动,表明岩石在峰前阶段产生非稳定破坏。(3)损伤试样破裂过程随着损伤程度增加由晶间滑移主导型转变为裂隙发育主导型,导致声发射高频低能(400~800 kHz、0~250 aJ)信号由零星出现转变为加载全过程密集分布,以及高频信号带变宽。(4)损伤岩石内部裂隙发育程度不同是导致声发射响应机制差异化的根本原因,岩石内部裂隙密度随着损伤程度增加而增大,造成其在受载过程中由渐进式稳定破坏模式向突发式非稳定破坏模式转变,同时加载过程中声发射信号活跃度及强度增强。研究获得了不同损伤程度岩石的声发射参数特征,可为工程岩体损伤程度识别提供理论依据。

甘氨酸盐捕集二氧化碳后的矿化解吸与再生研究

矿化解吸作为低能耗的再生工艺已成为二氧化碳捕集封存(CCS)技术的关注点。为了更好地研究矿化解吸已捕集二氧化碳的吸收剂以及吸收剂再生的整个过程,采用了衰减全反射傅里叶变换红外光谱法(ATR-FTIR)指认了甘氨酸钾溶液以及其二氧化碳吸收饱和溶液的12个特征峰,再选定特有的反应物和产物的特征峰,对氧化钙矿化解吸已捕集二氧化碳以及甘氨酸钾再生过程做跟踪测量。实验结果表明,在矿化解吸二氧化碳过程中随着甘氨酸钾溶液pH的逐渐升高,溶液中质子胺(—NH3^+)、氨基甲酸酯(N—COO^-)和碳酸氢根(HCO3^-)的含量在逐渐减少,溶液中的胺基(—NH2)不断生成,甘氨酸钾吸收剂得到再生。虽然—NH3^+可以完全再生回—NH2,但部分N—COO^-还保留在吸收剂溶液中。因此,氧化钙矿化解吸无法完全再生已捕集二氧化碳的甘氨酸钾吸收剂。该结果有助于进一步了解矿化解吸已捕集二氧化碳吸收剂的反应机理和反应动力学。

高强度采动覆岩——地表偏态下沉规律研究

科学认识和掌握覆岩破断特征和地表下沉规律是煤炭绿色开采的重要基础,有利于减小煤炭开采扰动对地表构筑物和生态环境的损伤程度。基于离散元模拟软件建立数值模型,探究了不同推进距离下覆岩破断运移特征,得到了地表偏态下沉规律,采用理论分析和物理模拟手段验证了研究结果的可靠性。结果表明:开切眼侧岩层破断角大于工作面侧岩层破断角,覆岩的偏态垮落传导至地表,造成地表的偏态下沉。该研究成果为研发煤炭减损开采技术提供创新性理论支撑。

新型电力系统环境下煤电与新能源等多元资源协调优化运行及其挑战

我国新能源装机规模最大、且持续高速发展,电网运行面临新能源消纳与电力保障供应的双重挑战,需多方位提升系统灵活性,构建新型供给消纳体系,促进资源优化配置。立足我国电源结构和新能源快速发展态势,提出和分析了五大关键技术:煤电与新能源灵活性运行能力提升技术、柔性电-氢-化系统集成设计与运行控制优化技术、多资源互补优化调度运行技术、容量和新型辅助服务市场机制及出清技术、煤电与新能源综合调节和优化运行系统应用技术,促进煤电与新能源的协调发展,推动构建适应我国国情的新能源供给消纳体系建设,推动电力系统的转型升级。